Сварка стали с алюминием, медью, титаном и их сплавами

Сварка стали с алюминием и его сплавами. Процесс затруднен фи­зико-хи-мическими свойствами алюминия. Выполняется в основном аргонодуговая сварка вольфрамовым электродом. Подготовка стальной дета­ли под сварку предусматривает для стыкового соединения двусторонний скос кромок с углом 70°, так как при таком угле скоса прочность соеди­нения достигает максимального значения (см. рис. 13.7, б). Свариваемые кромки тщательно очищают механическим или пескоструйным способом или химическим травлением, затем на них наносят активирующее покры­тие. Недопустимо применение дробеструйной очистки, так как при этом на поверхности ме-талла остаются оксидные включения. Наиболее деше­вое покрытие – цинко-вое, наносимое после механической обработки.

Процессу гальванического и горячего цинкования должны предше­ст-вовать обезжиривание детали, промывка и сушка, травление в растворе сер-ной кислоты с последующей промывкой и сушкой. При горячем цинковании, перед опусканием детали в цинковую ванну, имеющую тем­пературу 470 ... 520 °С, необходимо флюсование детали в насыщенном растворе флюса. Про-стейший флюс состоит из двух компонентов: 50 % KF + 50 % КС1. Совер-шенно недопустимо нанесение цинкового или алюминиевого покрытия по методу шоопирования, так как при этом час­тицы покрытия успевают окис-литься и удовлетворительно сварить алю­миний со сталью не удается.

При гальваническом нанесении покрытия слой цинка должен дости­гать 30 ... 40 мкм, при горячем цинковании 60 ... 90 мкм. В последнем случае зна-чительно облегчается процесс нанесения слоев алюминия, осо­бенно на мел-ких деталях. Для сталей аустенитных (12Х18Н9Т и т.п.) алитирование воз-можно после механической очистки без применения флю­са. Оптимальный (по прочности соединения) режим алитирования - тем­пература алюминиевой ванны 750 ... 800 °С. Время выдержки при алитировании - до 5 мин (в зави-симости от размеров детали). Возможно также алитирование стальных дета-лей с применением токов высокой частоты.

Технология сварки предусматривает использование стандартных сварочных установок типа УДГ-300 с применением лантанированных вольфрамовых электродов диаметром 2 ... 5 мм и аргона высшего и пер­вого сортов.

Особенностью сварки алюминия со сталью по сравнению с обыч­ным процессом аргонодуговой сварки алюминиевых сплавов является располо-жение дуги: в начале наплавки первого шва - на присадочном прутке, а в процессе сварки - на присадочном прутке и образующемся валике (рис. 13.8, а), так как при длительном воздействии теплоты дуги на поверхность стали происходит преждевременное выгорание покрытия, что препятствует даль-нейшему процессу сварки. После появления на­чальной части валика дугу нужно зажигать вновь (после перерыва) на алюминиевом валике. При сварке встык дугу ведут по кромке алюминие­вой детали, а присадку - по кромке стальной детали таким образом, что жидкий алюминий натекает на поверх-ность стали, покрытой цинком или алитированной (рис. 13.8, б).

Рис. 13.8. Техника аргонодуговой наплавки алюминия на сталь:

а - ведение дуги при аргонодуговой наплавке;

б - то же, при сварке встык;

в - д - последовательность наложения валиков в зависимости от типа соединения

При толщине свариваемого металла до 3 мм сила сварочного тока110...130 А, при толщине стали 6 ... 8 мм 130 ... 160 А, при толщине 9...10 мм 180... 200 А; только в этом случае обеспечивается достаточный разогрев деталей и образование необходимой соединительной прослойки.

В качестве присадочного материала применяется проволока марки АД1 (чистый алюминий с небольшой присадкой кремния, благоприятно влияющего на формирование стабильного качества диффузионной про­слойки). Присадку из сплава АМг6 применять не следует, так как в этом случае в формировании интерметаллидного слоя принимает участие маг­ний, снижающий прочность соединения. По-видимому, наличие атомов магния вместо атомов алюминия в кристаллической решетке одной из фаз обусловливает наличие слабых связей - магний практически нерастворим в железе. Магний резко ускоряет рост прослойки из хрупких интерметалли-дов, интенсифицирует развитие процессов реактивной диффузии.

В зависимости от типа соединения при сварке необходимо соблю­дать последовательность наложения валиков шва 1- 12, показанную на рис. 13.8, в, г и д, обеспечивающую необходимое перекрытие. Чередова­ние валиков с ли-цевой и обратной стороны предотвращает перегрев стальной детали и преж-девременное выгорание цинка с ее поверхности.

Важное значение имеет правильный выбор скорости сварки, так как она определяет время взаимодействия жидкого алюминия со сталью, т.е. определяет толщину и стабильность интерметаллидной прослойки (см. рис. 13.7, в). Для первых слоев скорость сварки назначают 7 ... 10 м/ч, для последующих (когда сталь достаточно разогрета) - 12 ... 15 м/ч. При рассмотренных условиях сварки предел прочности соединения при раз­рыве соответствует прочности технического алюминия (100 МПа).

Рис. 13.7. Влияние на прочность сварного соединения стали и алюминия:

а - толщины δ-интерметаллидной прослойки; б - угла α разделки кромки стальной детали; в - толщины интерметаллидной прослойки и скорости сварки

Применение комбинированных покрытий стали - медно-цинкового и никель-цинкового повышает прочностные свойства сварного соедине­ния. В этом случае наносят слой меди или никеля толщиной 4 ... 5 мкм и второй слой цинка толщиной 30 ... 40 мкм. Соединительная прослойка интерметал-лидов сложного состава получается несколько меньшей тол­щины и твердос-ти. Предел прочности сварного соединения (при наличии выпуклости шва) 140 ... 223 МПа.

При сварке высоколегированной стали типа 18-8 с алюминием, если на стали имеется только цинковое покрытие толщиной 50 мкм, достига­ется пре-дел прочности соединения 213 ... 287 МПа. Если же по подслою цинка тол-щиной 25 ... 30 мкм производят алитирование по указанной ранее техноло-гии, достигается прочность соединения 295 ... 328 МПа.

Так, при введении через присадочную проволоку легирующих эле­ментов толщина прослойки интерметалл и дов в соединительном слое со­ставила: при 1 % Si 18 ... 20 мкм, при 4 ... 5 % Si 3 ... 5 мкм; при 1 % Си 28 ... 30 мкм, при 2,5 % Си 10 ... 12 мкм; введение 1 ... 3 % Ni не изме­нило толщину прослойки, которая составляла 16 ... 22 мкм; при 2 % Zn 28 ... 30 мкм, при 7 % Zn 10 ... 12 мкм; при дальнейшем увеличении со­держания цинка толщина прослойки растет, а ее прочность резко падает. Зависимость прочности сварного соединения от толщины интерметалли­ческой прослойки показана на рис. 13.7.

Практически регулировать длительность нагрева и контактирования свариваемых металлов можно смещением источника теплоты на один из элементов, обычно легкоплавкий, применением теплоотводов и т.п.

С точки зрения надежной защиты металлов от действия окружаю­щего воздуха наиболее универсальным для многих металлов оказался способ аргонодуговой сварки, но для таких металлов, как титан, ниобий, тантал, молибден, наилучшие условия обеспечивает сварка в вакууме электронным лучом.